RESISTÊNCIA ÚLTIMA DE NAVIOS E PLATAFORMAS DANIFICADOS POR COLISÕES
Diogo do Amaral Macedo Amante
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Oceânica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários a obtenção do título de Doutor em Engenharia Oceânica.
Orientador: Segen Farid Estefen
Rio de Janeiro Outubro de 2017
RESISTÊNCIA ÚLTIMA DE NAVIOS E PLATAFORMAS DANIFICADOS POR COLISÕES
Diogo do Amaral Macedo Amante
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA.
Examinada por:
Prof. Segen Farid Estefen, Ph.D.
Prof. Carlos Antonio Pancada Guedes Soares, Ph.D.
Prof. Eduardo de Miranda Batista, D.Sc.
Prof. Ilson Paranhos Pasqualino, D.Sc.
Prof. Julio Cesar Ramalho Cyrino, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL OUTUBRO DE 2017
iii Amante, Diogo do Amaral Macedo
Resistência última de navios e plataformas danificados por colisões / Diogo do Amaral Macedo Amante. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2017.
XX, 304 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Segen Farid Estefen
Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Oceânica, 2017.
Referências Bibliográficas: p. 290-304.
1. Resistência última. 2. Colisão. 3. Navio. I. Estefen, Segen Farid. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Oceânica. III. Título.
iv
À minha família, especialmente para minha mãe, minha esposa Fernanda e meu filho Rafael.
v
Agradecimentos
À minha mãe que sempre foi presente e se empenhou na minha educação durante toda a minha vida, sem ela eu não teria chegado até aqui.
À minha esposa, Fernanda, principalmente pela paciência nestes últimos 3 anos de muita dedicação para o desenvolvimento da tese.
Ao meu filho Rafael, que sem saber, recebeu menos atenção nesses seus primeiros anos de vida devido ao desenvolvimento da tese em conjunto ao trabalho em Santos.
Ao meu orientador Segen Farid Estefen pelos conhecimentos passados, sugestões, incentivos à pesquisa e crescimento profissional.
À Petrobras que aprovou o meu doutorado e financiou um ano de estudos na University of Texas at Austin.
Ao professor Spyros Kinnas que me recebeu muito bem em na University of Texas at Austin.
À Engenheira Christina Wang que me co-orientou durante o período de estudos na University of Texas at Austin. Agradeço a sua disponibilidade de me receber muito bem nas reuniões na ABS Houston e pelas ótimas sugestões para a pesquisa.
vi Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
RESISTÊNCIA ÚLTIMA DE NAVIOS E PLATAFORMAS DANIFICADOS POR COLISÕES
Diogo do Amaral Macedo Amante
Setembro/2017
Orientador: Segen Farid Estefen Programa: Engenharia Oceânica
Eventos extremos podem levar um elemento estrutural a experimentar um cenário de carregamento acima de um limite crítico, conhecido como resistência última. Essa falha estrutural, em alguns casos, pode desenvolver o colapso progressivo de outros elementos estruturais e gerar consequências catastróficas. As colisões offshore aumentam os riscos de ocorrência de uma falha extrema. Com a crescente demanda por segurança no mar e proteção ao meio ambiente, existe um grande interesse em se prever as consequências das colisões entre navios e plataformas para que sejam tomadas as devidas medidas de prevenção ou minimização dos danos estruturais e ao meio-ambiente. A severidade e o potencial de prejuízos com os acidentes envolvendo colisões entre embarcações em termos financeiros e ao meio ambiente indicam a importância da avaliação das consequências destes acidentes.
A tese investiga a resistência última e o colapso progressivo de navios e plataformas danificados por colisões através do método dos elementos finitos. A análise da colisão e posterior verificação de resistência residual é um processo complexo, altamente não linear e, principalmente, envolve grandes deformações plásticas. Para avaliar a gravidade do dano, há a necessidade de desenvolver modelos numéricos robustos e confiáveis. Consequentemente, foram realizados testes experimentais com modelos reduzidos intactos e danificados de painéis enrijecidos e vigas-caixão. Espera-se obter resultados que aumentem o entendimento dos mecanismos de falha estrutural, considerando danos que abrangem desde pequenas mossas, até danos extensos em uma grande área do casco de um navio ou plataforma do tipo FPSO.
vii Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
ULTIMATE STRENGTH OF SHIPS AND PLATFORMS DAMAGED BY COLLISIONS
Diogo do Amaral Macedo Amante
September/2017
Advisor: Segen Farid Estefen Department: Ocean Engineering
Extreme events may lead to a structural element experiencing a loading scenario above a critical limit known as ultimate strength. This structural failure, in some cases, can develop into the progressive collapse of other structural elements and generate catastrophic consequences. Offshore collisions increase the risk of extreme failure. With increasing demand for safety at sea and protection of the environment, there is a strong interest in predicting the consequences of ship collisions for preventing and minimizing damage to structures and the environment. The severity and potential of accidents with offshore collisions in terms of financial and environmental loss show the great importance of evaluating collision scenarios and the consequences of these accidents.
The thesis investigates the ultimate strength and progressive collapse of ships and platforms damaged by collisions using the finite element method. Collision analysis and subsequent verification of residual resistance is a complex, highly nonlinear process and, mainly, involves large plastic deformations. To assess the severity of the damage, there is a need to develop robust and reliable numerical models. Consequently, experimental tests were performed with reduced intact and damaged models of stiffened panels and box girders. Results are expected to increase understanding of structural failure mechanisms, considering damages ranging from small dents to extensive damage to a large area of a ship's hull or FPSO-type platform.
viii
Sumário
Capítulo 1 ... 1 Introdução ... 1 1.1 – Contexto ... 1 1.2 – Motivação ... 7 1.3 – Objetivo da Tese ... 9 1.4 – Organização da Tese ... 11 Capítulo 2 ... 14Métodos de avaliação da resistência última de navios intactos e com danos ... 14
2.1 – Introdução ... 15
2.2 – Avaliação da resistência última de placas em compressão... 21
2.2.1 Resistência última e comportamento pós-flambagem de placas ... 23
2.3 – Imperfeições de fabricação ... 25
2.3.1 Imperfeições Geométricas de Fabricação ... 25
2.3.1.1 Forma de distribuição das imperfeições geométricas de fabricação ... 28
2.3.2 Tensões residuais ... 35
2.4 – Resistência última de painéis enrijecidos ... 37
2.5 – Métodos de avaliação da resistência última longitudinal do navio ... 40
2.5.1 Teoria de flexão de viga ... 40
2.5.2 Método baseado na hipótese de distribuição de tensão ... 41
2.5.3 Método do colapso progressivo ... 42
2.5.4 Análise não linear pelo método dos elementos finitos ... 44
2.6 – Revisão de trabalhos de avaliação da resistência última de estruturas com dano de colisão ... 45
2.6.1 Classificação dos danos em acidentes envolvendo impacto/colisões ... 46
2.6.2 Resistência residual de placas e painéis enrijecidos com danos de colisão ... 50
2.6.3 Resistência última de estruturas oceânicas com danos extensos ... 56
Capítulo 3 ... 59
Colisões entre embarcações e plataformas ... 59
3.1 – Introdução ... 60
3.2 – Histórico de colisões em plataformas ... 62
3.2.1 Dados estatísticos de colisões em plataformas ... 62
3.2.2 Recentes colisões em plataformas ... 68
ix
3.3.1 Operações com embarcações de apoio na Petrobras ... 76
3.3.2 Diferença nas operações de FPSOs e Jaquetas ... 79
3.4 – Colisões de embarcações de apoio em plataformas da Petrobras no período de 2005 a 2015 ... 81
3.4.1 FPSOs ... 85
3.4.2 Unidades fixas ... 86
Capítulo 4 ... 88
Resistência última de placas com mossas ... 88
4.1 – Resistência última de placas considerando imperfeições de fabricação ... 89
4.1.1 Imperfeições geométricas de fabricação... 90
4.1.2 Influência das tensões residuais de soldagem na resistência última de placas ... 96
4.2 – Resistência última compressiva de placas com mossa ... 99
4.2.1 Taxa de deformação... 99
4.2.2 Efeito Bauschinger ... 104
4.3 – Relação de influência entre mossas, imperfeições geométricas e tensões residuais ... 107
4.3.1 Influência das imperfeições geométricas na resistência última compressiva de placas com dano de mossa ... 107
4.3.2 Influência das tensões residuais de soldagem na resistência última compressiva de placas com mossas ... 108
4.4 – Estudo paramétrico da resistência última de placas com mossa ... 110
4.5 – Equação para estimar a resistência última de placas com mossas ... 120
Capítulo 5 ... 123
Resistência última de painéis enrijecidos com danos de impacto ... 123
5.1 – Análises experimentais ... 124
5.1.1 Sequência de falha ... 130
5.2 – Resistência última de painéis com mossas ... 132
5.2.1 Resistência última residual de painel de convés de um navio ... 133
5.2.2 Resistência última de painel de costado de FPSO com dano de contato de embarcação de apoio ... 140
Capítulo 6 ... 152
Correlação numérico e experimental da resistência última longitudinal de navios . 152 6.1 – Introdução ... 153
6.2 – Resistência última longitudinal: Testes experimentais ... 155
6.3 – Teste experimental de flexão de viga caixão ... 167
6.3.1 – Construção do modelo reduzido ... 170
6.3.2 – Medição das imperfeições geométricas iniciais ... 172
x
6.3.4 – Carregamento... 176
6.3.5 – Resultados do teste de flexão... 178
6.4 – Simulação numérica do teste experimental ... 181
Capítulo 7 ... 187
Avaliação da resistência última longitudinal de navios através do método dos elementos finitos ... 187
7.1 – Método dos elementos finitos aplicado na análise de resistência última longitudinal de navios ... 188
7.1.1 Modelagem do navio ... 189
7.1.2 Extensão longitudinal do modelo ... 192
7.1.3 Condições de contorno e carregamento ... 195
7.1.4 Malha, convergência e momento fletor de regra ... 199
7.1.5 Imperfeições de fabricação ... 202
7.2 – Análise numérica de avaliação da resistência última longitudinal de navios .. 203
7.2.1 Navio petroleiro do tipo Suezmax ... 203
7.2.1.1 Sequência de falha ... 213
7.2.1.2 Análises adicionais ... 218
7.2.2 Navio petroleiro VLCC convertido em plataforma ... 220
7.2.2.1 Análises adicionais ... 228
7.2.2.2 Influência das imperfeições geométricas ... 228
7.2.2.3 Influência da extensão longitudinal do modelo ... 228
7.2.2.4 Influência das condições de contorno ... 229
7.3 – Resistência última longitudinal de navios com danos de colisão ... 231
7.3.1 Sequência de falha do navio com danos ... 240
Capítulo 8 ... 242
Resistência residual de FPSOs após colisões de grande energia ... 242
8.1 – Premissas para as análises estruturais envolvendo colisões em plataformas .. 243
8.1.1 Recomendações de Sociedades Classificadoras ... 247
8.1.2 Unidade de manutenção e segurança (UMS) ... 251
8.2 – Simulação de colisão de grande energia e avaliação da resistência residual de um FPSO ... 256
8.2.1 – Análise numérica ... 257
8.2.2 Material ... 259
8.2.3 Condições de contorno aplicadas ... 260
8.3 – Colisão de plataforma de manutenção e segurança (UMS) em costado de FPSO ... 261
xi 8.5 – Metodologia para avaliação da resistência residual sem a simulação de danos
... 272
Capítulo 9 ... 275
Conclusões ... 275
9.1 – Colisões entre embarcações e plataformas ... 276
9.2 – Resistência última de placas com mossas... 277
9.3 – Resistência última de painéis enrijecidos com mossas ... 279
9.4 – Resistência última longitudinal: correlação numérico e experimental ... 281
9.5 – Resistência última longitudinal de navios ... 282
9.6 – Resistência remanescente de navios e FPSOs após colisões de grande energia. ... 286
Trabalhos futuros ... 289
xii
Lista de Figuras
Figura 1.1: Falha catastrófica de um navio [1] ... 1
Figura 1.2: Colisão nas proximidades da costa da Singapura, 2003 ... 2
Figura 1.3: MV Rena totalmente dividido em duas partes após acidente de colisão com recifes [6] ... 4
Figura 1.4: Colisão de embarcação de apoio em plataforma [8] ... 5
Figura 1.5: Plataforma Mumbai High North após a colisão de embarcação de apoio [9] 6 Figura 1.6: Danos estruturais e inclinação em plataforma após a colisão de um navio porta-contentores [10]... 7
Figura 1.7: Unidade de manutenção e segurança (UMS) em operação [11] ... 8
Figura 1.8: Tipos de dano avaliados na Tese... 10
Figura 2.1: Painel enrijecido ... 15
Figura 2.2: Estrutura do navio formada por painéis enrijecidos [12] ... 16
Figura 2.3: Representação de carregamentos para um navio em águas tranquilas [13] . 17 Figura 2.4: Navio em tosamento e alquebramento ... 18
Figura 2.5: Painel enrijecido do fundo recebendo carregamento compressivo devido à condição de alquebramento ... 19
Figura 2.6: Placa em carregamento compressivo ... 21
Figura 2.7: Surgimento de imperfeições geométricas após processos de soldagem ... 26
Figura 2.8: Imperfeições geométricas em um bloco de plataforma semissubmersível [24] ... 26
Figura 2.9: Tipos de imperfeições geométricas de fabricação [24] ... 27
Figura 2.10: Modo natural de flambagem de uma placa de razão de aspecto igual a 3 . 29 Figura 2.11: Distribuições de imperfeições geométricas [34] ... 31
Figura 2.12: Medições de imperfeições geométricas realizadas em um estaleiro no Rio de Janeiro (amplificado em 20 vezes) [35] ... 31
Figura 2.13: Medições de imperfeições geométricas realizadas em um estaleiro no Rio de Janeiro (amplificado em 20 vezes) [35] ... 32
Figura 2.14: Medições de imperfeições geométricas realizadas em um estaleiro no Rio de Janeiro (amplificado em 20 vezes) [35] ... 32
Figura 2.15: Tolerância máxima permitida pela DNV [39] ... 34
Figura 2.16: Comparação entre a amplitude máxima de imperfeições das formulações leve, média e severa e a máxima amplitude permitida pela DNV [38] ... 35
Figura 2.17: Distribuição de tensões residuais idealizadas para uma placa entre enrijecedores ... 36
Figura 2.18: Principais modos de falhas de um painel enrijecido. (a) Falha global induzida pela placa. b) Falha global induzida pelo reforço. (c) Falha da placa. (d) Tripping dos reforços [46] ... 38
Figura 2.19: Modo de falha local da alma do reforço [34] ... 39
Figura 2.20: Divisão de elementos para a análise de colapso progressivo e a curva de carregamentos dos elementos [33] ... 44
Figura 2.21: Dano local por mossa entre os reforços do painel [60] ... 46
Figura 2.22: Mossa na região interseção entre a placa e oreforço ... 47
Figura 2.23: Grande região de um painel enrijecido com mossa [60] ... 47
Figura 2.24: Costado de um FPSO com uma grande mossa causada pela colisão de uma embarcação de apoio [61] ... 48
xiii Figura 2.25: Dano de grande extensão em um navio petroleiro após a colisão de navio
graneleiro [62] ... 49
Figura 2.26: Potencial catastrófico em dano de colisão em um FPSO [63] ... 49
Figura 2.27: Resultado da colisão de uma embarcação de apoio a coluna de uma plataforma semissubmersível [61] ... 50
Figura 3.1: Operação de embarcação de apoio com uma plataforma do tipo FPSO ... 61
Figura 3.2: Operação de embarcação de apoio com uma plataforma semissubmersível 61 Figura 3.3: Frequências anuais e acumuladas de incidentes de colisão na Bacia continental do Reino Unido (1975 – 2001) [94]... 67
Figura 3.4: Plataforma West Alpha e a embarcação de apoio offshore Far Symphony após o acidente [97] ... 69
Figura 3.5: Extenso dano na proa do Big Orange XVIII [77] ... 70
Figura 3.6: Danos na plataforma Ekofisk 2/4-W [98] ... 70
Figura 3.7: Dano estrutural severo causado pela colisão de um rebocador na coluna de uma plataforma semissubmersível P-13 [61] ... 73
Figura 3.8: Plataforma P-27 após sofrer colisão da embarcação A. H. Paraggi ... 74
Figura 3.9: Rasgo no costado do FPSO P-II após a colisão de uma embarcação ... 75
Figura 3.10: Mossa gerada por colisão de embarcação de apoio no costado de uma plataforma do tipo FPSO [61] ... 76
Figura 3.11: Conceito de bordo favorável e desfavorável ... 77
Figura 3.12: Operação de embarcação de apoio com os novos FPSOs ... 80
Figura 3.13: Operação de embarcação de apoio com uma unidade fixa ... 81
Figura 3.14: Colisões entre embarcações de apoio e plataformas (Petrobras - incluindo sondas próprias e afretadas) entre 2005 e 2015 ... 82
Figura 3.15: Colisões entre embarcações de apoio e plataformas de produção (Petrobras) entre 2005 e 2015 ... 83
Figura 3.16: Colisões de embarcações de apoio em plataformas do tipo FPSO na Petrobras (por ano) ... 85
Figura 3.17: Colisões de embarcações de apoio em plataformas fixas da Petrobras (por ano) ... 87
Figura 4.1: Placa 1 e seu sistema de coordenadas ... 89
Figura 4.2: Forma de distribuição das imperfeições geométricas (m = 6) ... 91
Figura 4.3: Curva de tensão verdadeira versus deformação plástica logarítmica obtida para o aço ASTM AH32 ... 92
Figura 4.4: Valores de imperfeições geométricas ... 95
Figura 4.5: Modo de colapso da placa 1 amplificado em 10 vezes no instante do colapso (esquerda) e no pós-colapso (direita)... 95
Figura 4.6: Modo de colapso da placa 8 amplificado em 10 vezes no instante do colapso (esquerda) e no pós-colapso (direita)... 96
Figura 4.7: Distribuição de tensões residuais na placa com tensão compressiva de magnitude de 15% da tensão de escoamento... 97
Figura 4.8: Distribuição de tensões residuais na placa com tensão compressiva de magnitude de 25% da tensão de escoamento... 97
Figura 4.9: Resistência última de placa em carregamento compressivo ... 98
Figura 4.10: Variação da relação de tensão dinâmica sobre a tensão de escoamento em função das taxas de deformação para aços de alta resistência [109]. ... 101
Figura 4.11: Profundidade final do dano (mm) sem taxa de deformação ... 102
Figura 4.12: Profundidade final do dano (mm) com taxa de deformação ... 103
Figura 4.13: Distribuição de tensões de Von Mises (MPa) para o dano sem taxa de deformação ... 103
xiv Figura 4.14: Distribuição de tensões de Von Mises (MPa) para o dano com taxa de
deformação ... 103
Figura 4.15: Deformações plásticas para o dano sem taxa de deformação ... 104
Figura 4.16: Deformações plásticas para o dano considerando a taxa de deformação 104 Figura 4.17: Curva típica do Efeito Bauschinger [112]... 105
Figura 4.18: Comparação dos resultados de resistência última da placa 9 com o dano 1 para um modelo com encruamento isotrópico e com o encruamento combinado mais a consideração do efeito de Bauschinger ... 106
Figura 4.19: Distribuição de tensões para a placa após a simulação do dano 1 sem tensões residuais iniciais (esquerda) e com tensões residuais iniciais de compressão de 25% da tensão de escoamento (direita) ... 109
Figura 4.20: Comparação dos resultados de resistência última da placa 9 com o dano 1 para um modelo sem tensões residuais iniciais e dois modelos com tensões iniciais compressivas de 25% e 15% ... 109
Figura 4.21: Profundidades finais dos danos 1, 2 e 3 para a placa 1 ... 111
Figura 4.22: Profundidades finais dos danos 1,2 e 3 para a placa 3 ... 111
Figura 4.23: Profundidade dos danos 1 e 3 na placa 8 ... 112
Figura 4.24: Placa 2 - Profundidade e distribuição de tensões para o dano 1 ... 112
Figura 4.25: Placa 2 - Profundidade e distribuição de tensão para o dano 2 ... 113
Figura 4.26: Placa 2 - Profundidade e distribuição de tensão para o dano 3 ... 113
Figura 4.27: Resultados de resistência da placa 1 ... 115
Figura 4.28: Resultados de resistência da placa 2 ... 115
Figura 4.29: Resultados de resistência da placa 4 ... 116
Figura 4.30: Resultados de resistência da placa 6 ... 116
Figura 4.31: Resultados de resistência da placa 9 ... 117
Figura 4.32: Modo de colapso da placa 2 – intacta (primeira) e com o dano 2 ... 118
Figura 4.33: Modo de colapso da placa 6 – intacta (primeira) e com o dano 2 ... 119
Figura 4.34: Modo de colapso da placa 3 – intacta (direita) e com o dano 1 (esquerda) ... 119
Figura 4.35: Modos de colapso da placa 8, intacta, com o dano 1 e com o dano 3 (sentido horário) ... 119
Figura 4.36: Comparação da equação com os resultados numéricos ... 122
Figura 5.1: Algumas dimensões dos painéis ensaiados ... 124
Figura 5.2: Painel reduzido preparado para receber o dano ... 124
Figura 5.3: Medição da superfície do painel com o dano ... 125
Figura 5.4: Modelo de elementos finitos incorporando as imperfeições geométricas e o dano 2 ... 126
Figura 5.5: Curva material do aço empregado nas análises experimentais e numéricas. ... 127
Figura 5.6: Pós-colapso experimental e numérico – Danos 1, 2 e 4 ... 129
Figura 5.7: Condições de contorno aplicadas ao modelo ... 133
Figura 5.8: Painel Enrijecido ... 134
Figura 5.9: Localização dos danos de impacto ... 135
Figura 5.10: Painel e esfera no impacto na região de interseção placa/enrijecedor ... 135
Figura 5.11: Dano proposto para o painel ... 136
Figura 5.12: Tensões residuais após simulação do impacto ... 136
Figura 5.13: Pós-colapso do painel intacto do painel intacto ... 137
Figura 5.14: Pós-colapso do painel com os respectivos danos 1, 2 e 5 (sentido horário) ... 138
xv
Figura 5.16: Costado da plataforma FPSO P-74 ... 140
Figura 5.17: Painel enrijecido considerado no estudo ... 140
Figura 5.18: Modelo da embarcação de apoio ... 142
Figura 5.19: Simulação da colisão da embarcação de apoio no painel enrijecido ... 143
Figura 5.20: Dano para a colisão com velocidade de 400 mm/s ... 144
Figura 5.21: Vista do dano na interseção entre a placa e o enrijecedor ... 144
Figura 5.22: Tensões de Von Mises após a colisão ... 145
Figura 5.23: Profundidade de dano para a colisão de uma esfera em painel de costado de FPSO ... 148
Figura 5.24: Pós-colapso do painel intacto ... 149
Figura 5.25: Pós-colapso – Profundidade do dano = 19.5 mm na placa entre reforços 150 Figura 5.26: Pós-colapso – profundidade do dano = 123.2 mm, na placa entre reforços ... 150
Figura 5.27: Pós-colapso – profundidade do dano = 122.5 mm, na interseção entre placa e reforço ... 151
Figura 6.1: Falha catastrófica do Energy Concentration [114] ... 153
Figura 6.2: Colapso estrutural do navio Prestige em 2002 [114] ... 154
Figura 6.3: Dimensões da seção dos modelos MST-3 e MST-4 ... 158
Figura 6.4: Dimensões da seção do modelo MSD... 159
Figura 6.5: Vista lateral dos modelos experimentais ... 159
Figura 6.6: Modelo desenvolvido ... 160
Figura 6.7: Distribuição das imperfeições de fabricação com o modo de distribuição 2 ... 161
Figura 6.8: Falha do modelo MST-3 para as distribuições de imperfeição geométrica com o modo 2 (esquerda) e modo 3 (direita)... 162
Figura 6.9: Momento último do modelo MST-3 (N.m) ... 163
Figura 6.10: Pós-colapso do modelo MST-4 ... 163
Figura 6.11: Pós-colapso do modelo MSD em momento de alquebramento ... 164
Figura 6.12: Pós-colapso do modelo MSD em momento de tosamento ... 164
Figura 6.13: Esquema do experimento ... 168
Figura 6.14: Desenho com cotas... 168
Figura 6.15: Desenho isométrico da viga-caixão construída para o experimento ... 169
Figura 6.16: Isométrico da viga-caixão sem as chapas superiores ... 169
Figura 6.17: Vista frontal da parte central do modelo ... 170
Figura 6.18: Gabarito utilizado na fabricação dos painéis superior e inferior da parte central da viga ... 171
Figura 6.19: Parte da viga formada por chapas de 3 mm ... 171
Figura 6.20: Primeiro modelo experimental fabricado ... 172
Figura 6.21: Laser Faro senso utilizado para o mapeamento da superfície do modelo 173 Figura 6.22: Vista lateral da nuvem de pontos ... 174
Figura 6.23: Vista superior da nuvem de pontos ... 174
Figura 6.24: Geometria do modelo considerando as imperfeições mapeadas ... 175
Figura 6.25: Posições dos strain gauges no modelo reduzido ... 176
Figura 6.26: Aparato Instron 8802 utilizado nos testes de flexão ... 177
Figura 6.27: Posicionamento da viga nos cilindros inferiores ... 177
Figura 6.28: Flexão da viga-caixão por quatro pontos ... 178
Figura 6.29: Carga por deslocamento vertical dos cilindros ... 179
Figura 6.30: Falha da viga-caixão durante o teste de flexão ... 179
Figura 6.31: Modo de colapso das placas ... 180
xvi
Figura 6.33: Curva do material adotada no programa de análise estrutural ... 181
Figura 6.34: Modelo desenvolvido para o teste de flexão da segunda viga-caixão ... 182
Figura 6.35: Modelo numérico da viga do primeiro teste experimental ... 183
Figura 6.36: Parte central do modelo em detalhe com as imperfeições geométricas medidas ... 184
Figura 6.37: Carga por deslocamento vertical dos cilindros ... 185
Figura 6.38: Colapso do modelo numérico com a distribuição de tensões ... 186
Figura 6.39: Malha e modo de colapso do modelo ... 186
Figura 7.1: Reforçadores Perfil T e L ... 190
Figura 7.2: Painel enrijecido do costado de um navio com reforçador tipo L e do fundo com reforçador tipo T ... 191
Figura 7.3: Parte da antepara acoplada ao restante da estrutura (painéis de costado e do fundo mostrados anteriormente) ... 191
Figura 7.4: Possibilidades de modelagem da extensão longitudinal de um navio na análise de resistência longitudinal última por elementos finitos [114] ... 193
Figura 7.5: Modelo de um navio petroleiro de casco simples com 1⁄2+1+1⁄2 espaçamentos entre cavernas ... 194
Figura 7.6: Pontos de referência utilizados para a aplicação das condições de contorno ... 196
Figura 7.7: Acoplamento das extremidades do modelo ... 197
Figura 7.8: Ilustração de carregamento do modelo com momentos aplicados nos dois pontos de referência para avaliação da resistência em alquebramento ... 199
Figura 7.9: Vistas principais do navio ... 204
Figura 7.10: Modelo geométrico desenvolvido com 1⁄2+1+1⁄2 de espaçamentos entre cavernas ... 205
Figura 7.11: Modo de distribuição das imperfeições (m = 6) ... 206
Figura 7.12: Fundo duplo com imperfeições amplificadas para a visualização ... 206
Figura 7.13: Curvas dos materiais utilizados no modelo... 207
Figura 7.14: Distribuição do aço utilizado na modelagem do navio. ... 207
Figura 7.15: Refinamento de malha adotado para as análises ... 209
Figura 7.16: Pontos de referência acoplados aos nós das extremidades longitudinais do modelo ... 210
Figura 7.17: Momento vertical último para as condições de alquebramento e tosamento ... 211
Figura 7.18: Pós-colapso em alquebramento ... 212
Figura 7.19: Pós-colapso em tosamento ... 212
Figura 7.20: Flambagem de placas do convés com os reforços íntegros ... 213
Figura 7.21: Flambagem de placas na fração de carga 0.1991 (esquerda) e dos reforços na fração 0.1997 (direita)... 214
Figura 7.22: Elementos estruturais selecionados para verificação do instante da falha 215 Figura 7.23: Elementos estruturais selecionados para verificação do instante da falha 216 Figura 7.24: Elementos estruturais selecionados para verificação do instante da falha 217 Figura 7.25: Sequência de falha da região de fundo do navio em alquebramento ... 218
Figura 7.26: Comparação de resultado de momento vertical para diferentes condições de contorno ... 219
Figura 7.27: Comparação de resultado de momento vertical para diferentes condições de contorno ... 220
Figura 7.28: Navio plataforma convertido na década de 90 ... 221
Figura 7.29: Modelo do FPSO com um espaçamento entre cavernas seguido de meio espaçamento a vante e a ré ... 222
xvii
Figura 7.30: Distribuição do tipo de material utilizado na modelagem do navio ... 223
Figura 7.31: Resultados de resistência última longitudinal do navio para a condição de carregamento de tosamento ... 224
Figura 7.32: Curva de momento por fração de rotação aplicada para as condições de tosamento e alquebramento ... 226
Figura 7.33: Colapso do navio na condição de tosamento ... 227
Figura 7.34: Colapso do navio na condição de alquebramento ... 227
Figura 7.35: Colapso do modelo com 5 espaçamentos entre cavernas ... 229
Figura 7.36: Comparação de resultado de momento vertical em tosamento para diferentes condições de contorno ... 230
Figura 7.37: Extensão do dano por colisão no costado ... 232
Figura 7.38: Extensão do dano por colisão no fundo ... 232
Figura 7.39: Colapso do navio com o dano de colisão no costado - Tosamento ... 234
Figura 7.40: Colapso do navio com o dano de colisão no fundo - Alquebramento ... 234
Figura 7.41: Resistência última do navio intacto e com dano de colisão no costado - Tosamento ... 235
Figura 7.42: Resistência última do navio intacto e com dano de colisão no fundo – Alquebramento ... 236
Figura 7.43: Falha do navio com o dano 1 - Alquebramento ... 238
Figura 7.44: Falha do navio com o dano 2 - Alquebramento ... 239
Figura 7.45: Falha do navio com o dano 3 - Tosamento ... 239
Figura 7.46: Falha do navio com o dano 5 – Tosamento ... 240
Figura 7.47: Elementos selecionados para a análise de sequência de falha ... 241
Figura 8.1: Contato de uma embarcação de apoio no costado de FPSO ... 245
Figura 8.2: Colisão de embarcação de apoio em plataforma [83] ... 245
Figura 8.3: Metodologias de consideração de energias para a análise estrutural de colisões ... 246
Figura 8.4: Acidentes com energias acima da recomendação de regra na bacia continental norueguesa [90]... 249
Figura 8.5: Operação de UMS conectada à uma unidade fixa ... 252
Figura 8.6: Pequena distância entre a UMS e uma plataforma fixa conectadas pela gangway [126] ... 253
Figura 8.7: UMSs em operação na costa brasileira ... 254
Figura 8.8: UMS OOS Gretha que opera com 55700 toneladas ... 256
Figura 8.9: Modelo do navio com 5 espaçamentos entre cavernas ... 258
Figura 8.10: Adequação da malha para a simulação da colisão ... 259
Figura 8.11: Condições de contorno do navio para a simulação da colisão ... 260
Figura 8.12: Detalhe da extremidade dos pontoons de uma unidade semisubmerssível [127] ... 261
Figura 8.13: UMS operando com uma plataforma fixa com as extremidades dos pontoons direcionados para a plataforma de produção ... 262
Figura 8.14: Modelo desenvolvido para a extremidade do pontoon ... 263
Figura 8.15: Colisão frontal do pontoon no cintado do FPSO ... 264
Figura 8.16: Vista interna do tanque para a penetração do pontoon ... 264
Figura 8.17: Dano no casco do FPSO... 265
Figura 8.18: Resistência última do FPSO ... 265
Figura 8.19: Pós-colapso do FPSO em carregamento de alquebramento... 266
Figura 8.20: Segundo ponto de colisão ... 266
Figura 8.21: Localização definida para a colisão da embarcação de apoio ... 267
xviii Figura 8.23: Profundidade de penetração da embarcação de apoio no costado do FPSO
... 269
Figura 8.24: Parte interna do costado com a visão da penetração do bulbo da embarcação de apoio ... 270
Figura 8.25: Grande dano observado após a colisão da embarcação de apoio ... 270
Figura 8.26: Cuva de momento por fração de rotação ... 271
Figura 8.27: Pós-colapso da plataforma ... 271
Figura 8.28: Pós-colapso para o dano idealizado de colisão do pontoon da UMS no cintado da plataforma ... 272
xix
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Resistência última de placas com diferentes modos de imperfeição
geométrica ... 30
Tabela 2.2: Categorias de amplitude máxima de imperfeição... 33
Tabela 3.1: Acidentes com embarcações passantes e em serviço ... 63
Tabela 3.2: Colisões separadas por período de tempo... 64
Tabela 3.3: Classificação de severidade dos danos de colisão na região da bacia continental do Reino Unido (1975 – 2001) [94]... 65
Tabela 3.4: Frequência de acidentes de colisões na Bacia continental do Reino Unido (1975 – 2001) [94] ... 66
Tabela 3.5: Limites operacionais das embarcações de apoio ... 79
Tabela 3.6: Colisões entre embarcações de apoio e plataformas operando pela Petrobras ... 81
Tabela 3.7: Colisões entre embarcações de apoio e plataformas de produção (Petrobras) entre 2005 e 2015 ... 83
Tabela 3.8: Experiência de operações com FPSOs (2005 a 2015) ... 84
Tabela 3.9: Experiência de operações com unidades Fixas (2005 a 2015) ... 84
Tabela 3.10: Frequência de colisões de embarcações de apoio em plataformas do tipo FPSO que operam na Petrobras (por ano) ... 86
Tabela 4.1: Características geométricas das placas estudadas ... 90
Tabela 4.2: Condições de contorno da placa (livre = 1 e fixa = 0) ... 93
Tabela 4.3: Comparação de resultados de resistência última ... 93
Tabela 4.4: Resultados de resistência última ... 94
Tabela 4.5: Resistência última de placas com e sem imperfeições geométricas ... 107
Tabela 4.6: Profundidades dos danos (mm) ... 110
Tabela 4.7: Perda de resistência com os danos 1, 2 e 3 ... 114
Tabela 5.1: Comparação dos resultados numéricos e experimentais de resistência última ... 128
Tabela 5.2: Perdas de resistência dos painéis danificados ... 129
Tabela 5.3: Sequência de falha para o painel intacto antes da inserção do dano 2 ... 130
Tabela 5.4: Sequência de falha para o painel com o dano 2 ... 131
Tabela 5.5: Sequência de falha para o painel com o dano 3 ... 131
Tabela 5.6: Dimensões das chapas (mm) ... 134
Tabela 5.7: Dimensões dos reforços (mm) ... 134
Tabela 5.8: Perdas de resistência dos painéis devido ao dano... 137
Tabela 5.9: Redução de resistência devido à profundidade do dano na placa (dano 3) 138 Tabela 5.10: Redução de resistência devido à profundidade do dano na interseção placa/reforço (dano 5) ... 139
Tabela 5.11: Dimensões das chapas (mm) ... 141
Tabela 5.12: Dimensões dos enrijecedores (mm) ... 141
xx Tabela 5.14: Profundidade do dano para a colisão na região de interseção placa/reforço
... 146
Tabela 5.15: Redução de resistência para o dano localizado na placa entre reforços .. 147
Tabela 5.16: Redução de resistência para o dano localizado na interseção placa/reforço ... 147
Tabela 6.1: Propriedades do material ... 158
Tabela 6.2: Comparações dos resultados numéricos obtidos ... 166
Tabela 7.1: Condições de contorno consideradas em diversas publicações recentes ... 196
Tabela 7.2: Dimensões principais do navio ... 204
Tabela 7.3: Dimensões das placas de fundo e convés ... 205
Tabela 7.4: Propriedades do material dos aços considerados. ... 206
Tabela 7.5: Fração de carga aplicada para a falha de cada elemento estrutural ... 215
Tabela 7.6: Fração de carga aplicada para a falha de cada elemento estrutural ... 216
Tabela 7.7: Fração de carga aplicada para a falha de cada elemento estrutural ... 217
Tabela 7.8: Dimensões principais da plataforma... 221
Tabela 7.9: Perdas de resistência ... 224
Tabela 7.10: Condições de contorno analisadas ... 230
Tabela 7.11: Extensão do dano para o caso de colisão no costado [24] ... 231
Tabela 7.12: Extensão do dano para o caso de colisão no fundo [24] ... 232
Tabela 7.13: Coeficientes de correção da equação de momento máximo admissível .. 237
Tabela 7.14: Posições e dimensões do dano no convés e no fundo... 237
Tabela 7.15: Posições e dimensões do dano no costado... 237
Tabela 7.16: Sequência de falha dos elementos estruturais do convés do navio ... 241
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 – Contexto
As estruturas oceânicas operam em um ambiente dinâmico, com carregamentos em constante mudança. As solicitações estruturais normalmente causam esforços que foram considerados na fase de projeto, entretanto, podem ocorrer cenários anormais e extremos, de baixa probabilidade de ocorrência, que podem ocasionar severos danos estruturais. O desgaste estrutural na forma de corrosão, danos mecânicos e acidentes também fazem parte do dimensionamento estrutural de navios e plataformas. A relação entre os carregamentos atuantes e a condição estrutural deve ser combinada para que exista uma margem de segurança operacional. Carregamentos extremos ou danos estruturais podem levar um elemento estrutural a experimentar um cenário de carregamento acima de um limite crítico, conhecido como resistência última. Essa falha estrutural, em alguns casos, pode desenvolver o colapso progressivo de outros elementos estruturais e gerar consequências catastróficas. A Figura 1.1 mostra uma falha catastrófica da resistência longitudinal última de um navio.
2 Devido à importância da avaliação do comportamento da resistência última de navios e estruturas oceânicas, o International Ship and Offshore Structures Congress
(ISSC) mantém, desde o ano de 1997, um comitê de especialistas que fazem revisões
trienais sobre o tema específico de resistência última. Em sua última publicação, em 2015 [2], o comitê descreveu que a resistência última é uma avaliação crítica e fundamental para o projeto de navios e plataformas oceânicas.
Apesar do relativo longo período de pesquisas e trabalhos, a área de estudos relacionados à resistência última de navios e plataformas continua sendo desenvolvida por um grande número de pesquisadores. Muitos dos grandes desastres marítimos que ocorreram no passado, como os casos do Erika, Prestige e P-36, estão relacionados à resistência última. Desastres como estes mostram a importância do tema [3].
As colisões offshore aumentam as incertezas em relação à capacidade de resistência última local e global das estruturas oceânicas. Estes acidentes podem ocorrer na forma de encalhes de navios, quedas de objetos e colisões entre embarcações ou entre embarcações e plataformas. Frequentemente, ocorrem em áreas de intenso tráfego marítimo e nas operações de embarcações com plataformas. A Figura 1.2 exemplifica a severidade de uma colisão entre navios. Apesar dos avanços nas técnicas de navegação e da grande preocupação com a segurança no mar, acidentes envolvendo colisões offshore continuam ocorrendo.
3 A International Maritime Organization (IMO) descreveu em seu relatório de perdas e incidentes envolvendo colisões de navios (IMO:GISIS (2015)) [4], um número significativo de acidentes com graves consequências. Entre os anos de 2005 e 2014, ocorreu uma média de 23,8 acidentes graves por ano (perda do navio, perda de vidas ou poluição severa).
É extenso o histórico de grandes acidentes com perda total de navios após colisões. O caso envolvendo o Titanic é o acidente mais conhecido no mundo. Em um dos piores desastres marítimos da história, no dia 15 de abril de 1912, o luxuoso transatlântico Titanic foi ao fundo do mar após colidir com um iceberg no Oceano Atlântico. O acidente aconteceu horas depois de o navio ter deixado o porto de Southampton, na Inglaterra. Dos 2.224 passageiros a bordo, mais de 1500 pessoas morreram afogadas ou por conta do frio. Era o triste fim da viagem inaugural do Titanic, que deveria ter como destino final a cidade de Nova York. Pouco antes da meia-noite do dia 14 de abril, o Titanic navegava em uma área de água parada, sem ondas, um verdadeiro espelho e também um inconveniente para detectar icebergs. O navio colidiu de raspão em um iceberg, o que causou a abertura de seis fendas em seu casco. A partir desde momento, o Titanic estava condenado. Para agravar a situação, não havia botes salva-vidas para todos os passageiros, apesar de o navio estar seguindo a legislação vigente na época. Esse desastre motivou a criação, em 1914, da primeira convenção internacional para salvaguarda da vida humana no mar (SOLAS).
Fazem parte da história mundial inúmeros acidentes com encalhe ou colisões de navios que ocasionaram grandes derramamentos de óleo no mar. O acidente com o navio Exxon Valdez, em 1989, é considerado um dos maiores desastres ambientais da história. De acordo com Hong [5], um relatório do International Oil Pollution Compensation Fund mostra que, entre os seus membros, as colisões e encalhes são responsáveis por cerca de 50% de todos os maiores derramamentos de óleo no período de 1970 a 2005.
Acidentes recentes com colisões levaram navios ao colapso total. O acidente com o navio porta-contentores de bandeira liberiana MV Rena é um exemplo de colapso estrutural total de um navio após um acidente com colisão. Em outubro de 2011, o MV Rena colidiu com um recife na costa da Nova Zelândia. Esse acidente resultou na quebra do navio em duas partes, conforme pode ser observado na Figura 1.3. O acidente provocou o vazamento de cerca de 400 toneladas de petróleo no oceano, o que configura
4 o pior desastre ambiental da história da Nova Zelândia [6]. Em 2012, o navio cruzeiro Costa Concordia colidiu com uma rocha na costa da Itália causando um dano estrutural significativo em seu costado. Este dano ocasionou o naufrágio do navio e a trágica morte de 32 pessoas [7].
Figura 1.3: MV Rena totalmente dividido em duas partes após acidente de colisão com recifes [6]
Maior atenção é dada às colisões entre navios, mas os acidentes com colisões em plataformas de exploração e produção de petróleo também apresentam enorme potencial para perdas de vidas, danos ao meio-ambiente e grandes prejuízos financeiros. Primeiro, as plataformas normalmente são tripuladas por um grande número de trabalhadores. Outro ponto está relacionado ao risco adicional de explosões devido à produção de gases altamente inflamáveis e explosivos. Além disso, o alto potencial de perda financeira também está atrelado ao lucro cessante devido à parada de produção ou exploração de um campo.
5 As plataformas são projetadas para suportar colisões de embarcações de apoio durante suas operações de carregamento e descarregamento de suprimentos. Este é o cenário mais comum para colisões em plataformas, mas outros cenários, pouco avaliados, necessitam de estudos adicionais. A Figura 1.4 mostra a colisão de uma embarcação de apoio em uma plataforma [8]. Embarcações de pesca, rebocadores, navios mercantes, navios petroleiros em operações de alívio, unidades de apoio à manutenção (floteis) e outras tipos de embarcações, podem representar diversos cenários para as colisões contra plataformas.
Figura 1.4: Colisão de embarcação de apoio em plataforma [8]
Um acidente catastrófico ocorreu em julho de 2005, quando uma embarcação de apoio, que estava trabalhando em uma campanha de suporte ao mergulho, colidiu com os risers de exportação de gás da plataforma Mumbai High North, no Oceano Índico. O impacto gerou uma explosão e a destruição total da plataforma, com a morte de 22 pessoas. A Figura 1.5 mostra a plataforma em chamas. Este acidente evidencia o potencial catastrófico de um acidente de colisão entre uma embarcação de apoio e uma plataforma de produção de petróleo.
6 Figura 1.5: Plataforma Mumbai High North após a colisão de embarcação de apoio [9]
Em 2010, no mar do pacífico, uma das unidades de produção de óleo e gás operada pela Kodeco Energia sofreu uma colisão de um navio porta contêiner. A colisão, de grande energia, causou graves danos na unidade e uma inclinação permanente de cerca de 40 graus. A plataforma parou a sua produção de 15 mil m3 de gás e 1600 barris de óleo, mas não houve danos ambientais ou feridos [10]. A Figura 1.6 mostra a plataforma após a colisão. Observa-se o grande potencial catastrófico deste acidente.
7
Figura 1.6: Danos estruturais e inclinação em plataforma após a colisão de um navio porta-contentores [10]
1.2 – Motivação
A contextualização do problema mostrou grandes motivos para a escolha deste tema de pesquisa. Adicionalmente, no Brasil, o aumento de produção de óleo e gás tem sido realizado com a entrada em operação de novas unidades do tipo FPSO. Este fato indica que maior atenção deve ser dada a possibilidade de colisões entre embarcações e plataformas na costa brasileira. A maximização do índice de disponibilidade operacional de uma plataforma é um objetivo permanente, que pode ser ameaçado em decorrência de acidentes que possam ocasionar o comprometimento da integridade estrutural destas plataformas, implicando em enormes prejuízos. O risco de ocorrência de colisões com consequências extremas, assim como o acidente em Mumbai High North, mostra o potencial catastrófico desse tipo de acidente e levanta questões atuais quanto ao aumento do porte das embarcações de apoio e a utilização de unidades de manutenção e segurança (UMS).
As embarcações de apoio operam constantemente com as plataformas. Com porte cada vez maior, aumentam as chances de ocorrência de acidentes com energias acima do limite de resistência das unidades. Outro problema muito recorrente na costa brasileira está relacionado às embarcações de pesca. Apesar da existência da exigência de uma regulamentação que rege uma distância de segurança de 500 metros entre o pesqueiro e a
8 plataforma, estas embarcações estão sempre muito próximas das plataformas. A mesma tendência de aumento de porte também é verificada para as embarcações de pesca.
Um cenário relativamente recente e preocupante representa grande potencial catastrófico em um possível acidente de colisão. Na costa brasileira, tem sido observado nos últimos anos, uma grande quantidade de unidades de manutenção e segurança (UMS). Mais conhecidas como floteis, estas unidades vêm sendo utilizadas em obras que demandem um grande número de trabalhadores a bordo, como em processos de recuperação da integridade de unidades antigas ou em grandes obras de modificação das unidades. A Figura 1.7 mostra a operação de uma unidade de manutenção e segurança (UMS) com uma unidade de produção. Devido às dimensões da UMS, é perceptível o potencial dos riscos associados à possibilidade de ocorrência de um acidente com colisão.
Figura 1.7: Unidade de manutenção e segurança (UMS) em operação [11]
A pequena distância entre as unidades, que está na faixa de 30 a 40 metros (comprimento médio da gangway), e a possibilidade de falha do posicionamento dinâmico da UMS, fornece um cenário de grande risco de um acidente de colisão entre a UMS e a unidade de produção. Poucos estudos e avaliações estão disponíveis na literatura para este perigoso cenário. Enquanto as novas embarcações de apoio apresentam um deslocamento de 10 mil toneladas, existem UMSs com o deslocamento de 55 mil toneladas.
Com a crescente demanda por segurança no mar e proteção ao meio ambiente, existe um grande interesse em se prever as consequências das colisões e minimizar os
9 danos aos navios, plataformas e ao meio ambiente. A severidade e o potencial de prejuízos com os acidentes envolvendo colisões offshore em termos financeiros e ao meio ambiente mostram a grande importância deste tema de pesquisa. Por consequência, os operadores precisam avaliar estes novos cenários e conhecer os possíveis efeitos dos danos. O maior conhecimento no assunto deve ser alcançado para auxiliar o desenvolvimento de ações de modo que a segurança e a continuidade do negócio sejam mantidas e decisões assertivas sejam tomadas em casos de acidentes.
1.3 – Objetivo da Tese
Com o contexto de acidentes envolvendo colisões em navios e plataformas e o cenário de crescimento de produção de petróleo na costa brasileira, a tese tem como objetivo principal a investigação do colapso progressivo de navios e plataformas oceânicas danificadas em acidentes de colisão, desenvolvendo o entendimento da influência dos danos na resistência última dos mesmos.
A análise de colisão e posterior verificação de resistência residual é um processo complexo, altamente não linear e, principalmente, envolve grandes deformações plásticas. Para avaliar a gravidade do dano, há a necessidade de desenvolver modelos numéricos robustos e confiáveis. Consequentemente, a tese tem como meta o desenvolvimento de modelos numéricos que forneçam resultados consistentes. Espera-se que este resultado seja alcançado com estudos de parâmetro de influência nas análises, comparações com resultados numéricos e experimentais de outros autores e com os testes experimentais desenvolvidos nesta tese.
A tese considera danos que abrangem desde pequenas mossas, até danos extensos em uma grande área do casco de um navio ou plataforma do tipo FPSO com o objetivo obter resultados que aumentem o entendimento dos mecanismos de falha estrutural e que apresentem relevância para servir de base para a tomada de decisões para os futuros acidentes envolvendo impactos. A Figura 1.8 exemplifica os níveis de dano que serão analisados na tese.
10 Para atingir o objetivo principal da tese, foram propostas algumas metas que foram desenvolvidas no decorrer do trabalho:
Realizar um levantamento do histórico recente de colisões entre embarcações de apoio e plataformas na costa brasileira. Não existe publicações disponíveis com esses dados e, dessa forma, um dos capítulos da tese foi totalmente dedicado à essa contribuição.
11 Investigar a influência de mossas na resistência última de placas. Entender a influência das imperfeições de fabricação e analisar a possibilidade de desenvolvimento de uma equação de estimativa de perda de resistência em função da mossa.
Investigar a influência de danos locais em painéis enrijecidos observando a influência de danos em diferentes locais do painel.
Desenvolver modelos numéricos robustos para reproduzir testes experimentais de vigas-caixão sob flexão.
Avaliar a resistência última longitudinal de navios intactos e com danos. Investigar a influência dos danos de colisão na resistência última residual
de navios e FPSOs
1.4 – Organização da Tese
Nesta seção, é feita uma breve descrição dos capítulos. A tese evolui conforme os níveis de danos apresentados na Figura 1.8, começando com danos menores em placas, passando por danos em painéis enrijecidos e avaliando finalmente a resistência última longitudinal de navios e plataformas do tipo FPSO intactos, e em seguida com danos extensos.
O primeiro capítulo contextualiza o problema e mostra a importância do tema de resistência última de estruturas oceânicas intactas e danificadas por colisões. São descritos importantes acidentes e alguns números estatísticos mais recentes de colisões envolvendo navios. São descritos alguns novos cenários para possíveis acidentes de colisão envolvendo embarcações e plataformas offshore na costa brasileira. Se descreve o a motivação e objetivo da tese e um breve resumo de cada capítulo.
O segundo capítulo descreve as cargas atuantes no navio e as suas relações com a resistência última longitudinal da viga-navio. Faz-se uma revisão bibliográfica dos métodos analíticos de estimativa da resistência última de placas e painéis enrijecidos. As
12 imperfeições de fabricação, na forma das tensões residuais e imperfeições geométricas, são descritas assim como os métodos para estimá-las e utilizá-las em modelos numéricos de elementos finitos. São levantadas as metodologias de estimativa de resistência última longitudinal de navios. O capítulo apresenta uma breve classificação da magnitude dos danos de colisão e faz uma revisão bibliográfica das publicações que tratam do assunto da resistência residual de placas, painéis e navios, após acidentes envolvendo colisões.
No terceiro capítulo foi realizado um estudo de levantamento do histórico de colisões entre embarcações e plataformas. Para o Mar do Norte foram observados relatórios, dados estatísticos e até detalhes dos acidentes mais importantes, enquanto para a costa brasileira existem poucas referências que tratem do assunto. Dessa forma, o capítulo cita dados das poucas publicações existentes sobre colisões na costa brasileira e mostra os resultados de uma pesquisa de coleta de dados de colisões entre embarcações de apoio e plataformas no Brasil no período de 2005 a 2015.
Para se conhecer o efeito de um dano por mossa na capacidade de resistência última de uma estrutura oceânica, primeiramente, é necessário entender a redução de resistência de elementos estruturais fundamentais da estrutura do casco de um navio, como placas e painéis enrijecidos. No quarto capítulo, foi realizado um estudo de resistência última de placas considerando mossas, tensões residuais e imperfeições geométricas iniciais. O objetivo é avaliar a perda de resistência, devido à presença da mossa e, além disso, verificar o efeito da presença das imperfeições de fabricação em conjunto com a mossa. As referências apresentadas na revisão das publicações que envolvem este assunto, não avaliaram a influência da presença simultânea desses três parâmetros na resistência última de placas. O capítulo apresenta uma formulação para uma estimativa da perda de resistência compressiva de placas com mossas.
O quinto capítulo apresenta os resultados de um estudo de correlação numérico e experimental de resistência última remanescente de painéis enrijecidos em escala reduzida intactos e com danos de mossa. Depois dos bons resultados obtidos, são realizadas simulações numéricas em escala real de painéis enrijecidos com danos localizados devido às colisões. Avalia-se a influência da localização do dano no painel e da profundidade do dano na resistência residual de painéis enrijecidos. Os danos são simulados através de um impacto não linear através do método explícito em elementos finitos. Placas de convés de um navio graneleiro e do costado de um FPSO são analisadas.
13 O avanço acadêmico deste capítulo está baseado na avaliação do efeito do dano submetido à região de interseção entre placa e enrijecedor. O autor publicou os primeiros estudos que abordaram este dano e nesta tese foram obtidos resultados mais robustos.
Com o objetivo de investigar a resistência última e o colapso progressivo de uma estrutura simular ao casco de um navio, o sexto capítulo apresenta os resultados de um estudo experimental de flexão por quatro pontos de uma viga-caixão. Foram descritos todos os passos para realizar o experimento, desde a construção do modelo, a medição das imperfeições geométricas, ensaio de flexão e o desenvolvimento do estudo numérico com o objetivo de reproduzir a análise experimental. Os resultados experimentais e numéricos são comparados e analisados. O capítulo também mostra os resultados de simulações numéricas que foram desenvolvidas para reproduzir testes experimentais realizados por outro autor.
O sétimo capítulo descreve todos os passos necessários para a avaliação da resistência última longitudinal de navios através do método dos elementos finitos. O objetivo principal está voltado para o maior entendimento dos parâmetros que influenciam os resultados da análise. O momento vertical último é definido como a máxima capacidade de flexão da viga-navio. Após este carregamento, a embarcação falha catastroficamente. O colapso total de um navio é precedido por uma série de falhas locais, como a flambagem e escoamento do material, que constitui o colapso progressivo dos elementos estruturais. Os resultados obtidos nas análises, de um navio de casco simples e um navio com casco duplo, são usados para comparar o comportamento das diferentes estruturas e analisar a sequência de falha estrutural de cada caso.
O oitavo capítulo investiga a resistência última de navios e FPSOs danificados por colisões de grande energia. São considerados danos idealizados e impostos através de simulações dinâmicas de colisões entre as estruturas. É realizado um estudo paramétrico com danos idealizados no casco de um navio petroleiro e dois cenários de colisão de grande energia em FPSOs foram definidos para serem avaliados neste capítulo. O primeiro mostra o potencial catastrófico de um cenário recente e pouco estudado de operação de uma plataforma de manutenção e segurança conectada à uma plataforma de produção e o segundo simula à colisão de uma embarcação de apoio em alta velocidade no costado de um FPSO.
14
Capítulo 2
Métodos de avaliação da resistência
última de navios intactos e com danos
Este capítulo descreve as cargas atuantes no navio e as suas relações com a resistência última longitudinal da viga-navio e revisa as metodologias de avaliação da resistência última de placas e painéis enrijecidos. Realiza-se uma a abordagem da consideração das imperfeições de fabricação em modelos numéricos. Na sequência, são levantadas as metodologias de estimativa de resistência última longitudinal de navios. Na última seção, o capítulo apresenta uma breve classificação da magnitude dos danos são levantados os trabalhos desenvolvidos para avaliar a resistência residual de estruturas danificadas.
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2.1 – Introdução
Navios e plataformas flutuantes são predominantemente constituídos de combinações de placas e enrijecedores. Reforços longitudinais são soldados nas placas de aço para formar o painel enrijecido. Em seguida, estes painéis são reforçados com vigas transversais mais robustas. A Figura 2.1 mostra um painel enrijecido entre dois reforços longitudinais gigantes.
Figura 2.1: Painel enrijecido
A Figura 2.2 mostra uma típica estrutura de um navio. Observa-se que toda a estrutura é formada, basicamente, por painéis enrijecidos. A principal função é suportar os diversos carregamentos que atuam durante a vida útil do navio, garantindo que os esforços e deformações não ultrapassem os limites pré-estabelecidos em projeto.
16 Figura 2.2: Estrutura do navio formada por painéis enrijecidos [12]
Compreender os carregamentos atuantes na estrutura do navio é o primeiro passo para desenvolver um adequado entendimento da sua resistência última quando intacta e avariada. Quando um navio está navegando sob águas tranquilas, está submetido às forças verticais de empuxo iguais a soma do peso do navio. Mesmo sabendo que a resultante de peso e do empuxo sejam iguais, isto não implica que tenham a mesma distribuição ao longo do comprimento da embarcação, pois o peso depende da distribuição de massa na embarcação e o empuxo da forma das seções submersas. Esta desigualdade na distribuição do empuxo e pesos a bordo resulta em esforços cortantes e momentos fletores atuando na estrutura do casco. A Figura 2.3 exemplifica o esforço cortante para um navio em águas tranquilas. A linha contínua representa o peso do navio, a linha tracejada maior representa o empuxo e a linha tracejada menor mostra o esforço cortante atuante.
17 Figura 2.3: Representação de carregamentos para um navio em águas tranquilas [13]
A mesma consideração para o navio em águas tranquilas é válida para o navio quando submetido à ação de ondas. Neste caso, a distribuição de pesos permanece inalterada, porém, o volume da embarcação que se encontra submerso está em constante mudança. E, consequentemente, a distribuição do empuxo ao longo do navio se altera. A modificação da distribuição de empuxo ao longo do navio resulta em uma constante modificação nas forças cortantes e momentos fletores que agem na sua estrutura.
A estrutura do navio quando submetida às forças oriundas de seu próprio peso, do empuxo e da dinâmica do mar, flete como uma viga. Os carregamentos críticos ocorrem para ondas com comprimento próximo ao comprimento do navio. No instante em que uma crista de uma onda está na popa e a outra crista está na proa, consequentemente o cavado vai estar à meia nau. Nesta configuração ocorre uma redução de empuxo a meia nau e uma elevação na popa e na proa. O momento resultante é denominado tosamento, quando os elementos estruturais longitudinais do convés (acima da linha neutra) são comprimidos e os do fundo (abaixo da linha neutra) tracionados. A mesma onda, no instante em que a crista está à meia nau e o cavado na popa e proa, provoca o efeito inverso: elevação de empuxo a meia nau e uma redução na popa e na proa. O momento resultante é denominado alquebramento, quando os elementos estruturais longitudinais do convés estão tracionados e os do fundo estão comprimidos. A Figura 2.4 esquematiza os comportamentos de tosamento (sagging) e alquebramento (hogging).
18 Figura 2.4: Navio em tosamento e alquebramento
O navio ao fletir, por alquebramento ou tosamento, deve ter elementos estruturais com dimensões adequadas, distribuídos ao longo de seu comprimento, a fim de garantir a resistência e a estabilidade estrutural do casco. Os principais elementos estruturais responsáveis por resistir estes carregamentos, são os painéis enrijecidos, que compõem o convés, o fundo, teto do duplo fundo, costado e as anteparas.
Devido à complexidade da estrutura e do estado de deformação resultante dos esforços, admite-se, para efeito de estudo, que o estado de tensão pode ser reproduzido pela superposição das parcelas de tensões primárias, secundárias e terciárias. Os esforços primários são os provocados pela resposta global do casco como uma viga sujeita à flexão segundo o eixo longitudinal (alquebramento e tosamento). Com base nos esforços primários é estabelecido o nível mínimo de resistência, dita longitudinal, que deve dispor cada seção do navio. As tensões secundárias são as que fletem os painéis entre anteparas e as tensões terciárias, produzidas pelo carregamento local das placas entre reforços. A Figura 2.5 mostra um painel enrijecido do fundo do casco do navio, como um componente estrutural básico constituído por chapas e reforços longitudinais, limitados transversalmente pelas cavernas, com um carregamento axial compressivo que age sob o painel devido à condição de alquebramento que atua na viga-navio.
19 Figura 2.5: Painel enrijecido do fundo recebendo carregamento compressivo devido à
condição de alquebramento
Evidentemente, as dimensões dos membros dos painéis devem ser suficientes para resistir à superposição destas três tensões, além de incluir as tolerâncias de fabricação e margens de corrosão. Uma falha local de algum elemento estrutural pode levar ao comprometimento de outros membros adjacentes e, em última instância, ao colapso da viga-navio. Este fenômeno caracteriza-se por um colapso progressivo da estrutura. Portanto, para um dimensionamento estrutural eficiente, é importante conhecer o comportamento de todos os elementos estruturais do navio devido aos diversos carregamentos que serão impostos durante a sua vida operacional. Além disso, outra tendência importante para o desenvolvimento do projeto estrutural de navios e plataformas oceânicas e que está no foco desta tese, está relacionada às condições de acidente. Acidentes mecânicos como encalhes, colisões e queda de objetos descritos no primeiro capítulo da tese também devem ser considerados e avaliados durante a fase inicial de projeto estrutural. O reconhecimento desta necessidade leva ao estudo da resistência ao colapso de navios parcialmente danificados, com o objetivo da verificação da capacidade de resistência residual, ou se esses danos conduzem progressivamente à falha total. Estudando estas situações na fase de projeto estrutural, é possível adequar o arranjo estrutural para melhor resistir a uma possível situação de acidente.
Os critérios considerados por sociedades classificadoras para o projeto estrutural de navios, têm sido baseados na tensão de escoamento na estrutura do casco junto com
20 formulações que checam a flambagem de componentes estruturais (não para estrutura como um todo). Este método tem se mostrado efetivo para embarcações intactas em condições normais de mar e carregamento. Entretanto, a sua aplicação para avaliar a sobrevivência de embarcações em situações de corrosão, fadiga, colisões, encalhes, ou sobrecargas, é menos exata. Nestes casos, considera-se, com maior precisão, a interação entre os efeitos de escoamento, flambagem, e, algumas vezes, a ruptura de componentes locais e os efeitos relacionados ao comportamento global do sistema estrutural. O tradicional critério de projeto que avalia tensões elásticas lineares não define a resistência última da embarcação, que é a condição limite na qual o casco do navio irá falhar para realizar a sua função.
Há alguns anos, as Sociedades Classificadoras têm permitido o dimensionamento de componentes estruturais com base em análises de resistência última, através do método dos elementos finitos. O Goal Based Ship Construction Standard (GBS) para navios petroleiros e graneleiros foi adotado pela IMO [14, 15]. O GBS consiste de cinco níveis de procedimentos. A Resistência residual está incluída no nível 2 como um dos requerimentos funcionais conforme abaixo:
“II.5 Residual strength Ships shall be designed to have sufficient strength to withstand
the wave and internal loads in specified damaged conditions such as collision, grounding or flooding. Residual strength calculations shall take into account the ultimate reserve capacity of the hull girder, including permanent deformation and post-buckling behavior. Actual foreseeable scenarios shall be investigated in this regard as far as is reasonably practicable.”
A Common Structural Rules (CSR-H), da International Association of
Classification Societies (IACS) [16], requer a avaliação da resistência última do navio,
assim como, de placas e painéis enrijecidos. Consequentemente, a resistência residual em casos de danos se torna mandatória para novas construções de navios petroleiros e graneleiros.
A tese está baseada no método dos elementos finitos, mas é importante ter o conhecimento e o entendimento de outros métodos existentes para a avaliação da resistência última e residual de navios, painéis enrijecidos e placas intactas e com danos.
21 Dessa forma, as próximas seções deste capítulo apresentam uma revisão da literatura existente.
2.2 – Avaliação da resistência última de placas em compressão
As chapas de aço são elementos fundamentais para a estrutura do navio. Na introdução deste capítulo, foi observado que a resistência longitudinal da viga navio está relacionada à resistência da estrutura local do navio. A falha de uma placa pode levar ao colapso progressivo de estruturas adjacentes, ocasionando um grande problema estrutural.
A investigação da flambagem de placas teve origem na observação do comportamento de placas planas de navios. Bryan [17], em 1891, apresentou a primeira solução de uma placa apoiada em carregamento de compressão longitudinal uniforme. A Figura 2.6 mostra uma placa em carregamento de compressão uniforme.
v
A equação descrita por Bryan [17] define a tensão crítica de flambagem elástica, σcr, através da equações (2.1) e (2.2).
𝜎𝑐𝑟 = 𝑘𝑐𝜋2𝐷
𝑏2𝑡 (2.1)
𝐷 = 12(1−𝜐𝐸𝑡3 2) (2.2)
Onde: υ é o coeficiente de Poisson, E é o módulo de elasticidade, t é a espessura e b é a largura da placa.
b
